Белки — переносчики кислорода повысили приспособленность дрожжей-снежинок к богатой кислородом среде
Ученые из Технологического университета Джорджии исследовали роль связывающих кислород белков в ранней эволюции многоклеточных организмов. Они экспрессировали миоглобин и миогемэритрин в системе, моделирующей ранние этапы многоклеточности — модифицированных дрожжах Saccharomyces cerevisiae, образующих кластеры в форме снежинок. Интересно, что наибольшее преимущество эти белки давали клеткам крупных кластеров по сравнению с мелкими при высоком содержании кислорода, а не при его недостатке.

Митохондрии с флуоресцентной меткой показывают глубину диффузии кислорода в многоклеточном дрожжевом кластере
Credit:
Taken by Whitney Wong and modified by Anthony Burnetti from Wong W et al., 2025, PLOS Biology, CC-BY 4.0
Ученые из Технологического института Джорджии (США) продолжают исследовать способность дрожжевых клеток образовывать многоклеточные кластеры, способных эволюционировать в сторону укрупнения. В результате последовательного отбора крупных кластеров в культуре клеток была получена линия, формирующая интересные ветвистые структуры, так называемые дрожжи-снежинки (snowflake yeast); подробнее о них читайте в заметке «Как организмы стали большими». В новой публикации рассказывается о моделировании очередного важного этапа эволюции многоклеточности — появления белков, переносящих кислород.
Методы молекулярного датирования часто относят появление многоклеточных организмов к эдиакарскому периоду, около 635 миллионов лет назад. В конце протерозоя произошло резкое повышение уровня кислорода в атмосфере — примерно с 1% от современной до почти современной концентрации. Долгое время предполагали, что это спровоцировало развитие многоклеточности у животных, облегчив задачу обеспечения кислородом. Но, как ни парадоксально, высокие концентрации кислорода могли привести и к ограничению эволюционных трендов, увеличивающих размеры. Возникновение эффективного метаболизма, зависимого от кислорода, требовало его высоких концентраций, которые не могла поддерживать диффузия.
Современным животным помогли преодолеть это ограничение специализированные белки — тетрамерные гемоглобины, димерные гемэритрины и мультимерные гемоцианины. Все они связывают или высвобождают кислород в зависимости от его уровня, обеспечивают его быструю загрузку в органах дыхания и быструю отдачу в тканях.
Филогенетические исследования показали, что свободно циркулирующие в крови или гемолимфе белки-переносчики кислорода появились в эволюционной истории животных сильно позже, чем макроскопический размер тела. Они произошли от более древних мономерных глобинов и гемэритринов, которые не переносились циркулирующими жидкостями, а располагались в клетках и тканях тела и служили для облегчения диффузии кислорода от клетки к клетке подобно современным тканевым глобинам, например, миоглобину.
Дрожжи-снежинки как раз представляют собой кластер с ограниченной диффузией (очевидно, они ветвистые именно потому, что должны решать проблему доступа к кислороду). Исследователи выясняли, как концентрация кислорода и размер клеточного кластера влияют на эффективность облегченной диффузии через статические кислородсвязывающие белки, с помощью синтетической биологии и математического моделирования. Они экспрессировали в клетках дрожжей два хорошо изученных модельных белка — миоглобин кашалотов Themiste zostericola и миогемэритрин морских червей Themiste zostericola.
Исследователи сконструировали штаммы дрожжей на основе мутантных линий Y55HD и GOB8, у которых отсутствовал регуляторный белок ACE2, что и приводит к образованию кластеров-снежинок. В среде с низким содержанием кислорода диффузия к внутренним клеткам таких кластеров сильно ограничена, и только периферические клетки могут активно дышать. Исследователи встроили в локус HO дрожжей гены миоглобина и миогемэритрина. Их экспрессия регулировалась промотором TEF1, который обеспечивает высокий уровень транскрипции у S. cerevisiae.
Чтобы количественно оценить глубину проникновения кислорода в снежинки, ученые ввели в клетки дрожжей систему MitoLoc (preSU9-GFP + preCOX4-mCherry). Метка GFP была связана с белком TOM70 на внешней мембране митохондрий, показывая их морфологию и расположение в клетке. Метка mCherry прикреплена к COX4 — белку внутренней мембраны митохондрий, который участвует в электронтранспортной цепи. Скорость импорта COX4 в митохондрии зависит от мембранного потенциала, а он, в свою очередь, — от уровня потребления кислорода. Таким образом, наличие красного флуоресцентного сигнала (mCherry) указывает на активное дыхание клетки, а его отсутствие — на недостаток кислорода в данной области. Глубину проникновения кислорода ученые определяли, рассчитывая разницу между радиусом всего кластера и радиусом его анаэробной зоны.
Кластеры выращивали при низком и высоком содержанием кислорода. В первом случае большая часть суточного цикла дрожжей проходила при насыщении кислородом до менее 5%. Во втором случае средний уровень насыщения кислородом обычно был выше 50% и не опускался ниже 32%. При низком содержании кислорода глубина диффузии значительно увеличилась у модифицированных штаммов по сравнению с контрольными образцами дикого типа — белки-переносчики усиливали проникновение кислорода во внутренние клетки. Но существенной разницы в глубине диффузии кислорода при высоком насыщении не было.
Эффекты экспрессии миоглобина и миогемэритрина могли зависеть не только от концентрации кислорода в среде, но и от размера многоклеточного кластера. Поэтому ученые сконструировали штаммы, которые образовывали более мелкие «снежинки» из-за отсутствия гена BUD8, регулирующего полярность почкования, и повторили эксперименты в тех же условиях. Кислородсвязывающие белки были наиболее полезны для дрожжей в крупных «снежинках» по сравнению с дрожжами в мелких колониях и одиночными клетками, экспрессирующими ген ACE2, — при любых условиях, но особенно в среде с высоким содержанием кислорода,
Авторы статьи предложили альтернативную гипотезу о роли и времени происхождения связывающих кислород белков у многоклеточных. Они могли возникнуть не как адаптация для обхода низкого содержания кислорода в атмосфере на ранних этапах эволюции животных, а, напротив, появились из-за повышения его уровня в неопротерозое, чтобы помочь многоклеточным организмам нарастить метаболический потенциал в новой, богатой кислородом среде.
Источник
Whitney Wong, et al. (2025) Oxygen-binding proteins aid oxygen diffusion to enhance fitness of a yeast model of multicellularity // PLoS Biology 23(1): e3002975. DOI: 10.1371/journal.pbio.3002975